双相不锈钢弯管冷制作工艺探讨

詹韧

摘要：本文简要介绍了双相不锈钢弯管在冷制作过程中所遇到的问题及其原因分析，并以此提出一些解决方案和建议。

关键词：双相不锈钢；弯管；冷制作；工艺

1 概述

双相不锈钢（HDR）是基体兼有奥氏体和铁素体两种组织的一种不锈钢。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，具有良好的抗腐蚀的能力，适用于海水及某些酸性等高腐蚀介质，而且其屈服强度和抗拉强度较大，可用于冷加工。因此，双相不锈钢管（HDR）在海洋船舶管路系统的应用也越来越盛行。

但对于常用的双相不锈钢管，往往其管壁较薄、屈服强度大，因此弯制难度高，易报废。下面简要介绍双相不锈钢弯管制作过程中常见的问题及其原因分析，并提出一些解决方案和建议。

2双相不锈钢管的特性

2.1化学成份

材料的化学成份见表1。

2.2机械性能

材料的机械性能见表2。

2.3规格及壁厚

常见双相不锈钢管的规格及壁厚见表3.

从表2可以看出， HDR双相不锈钢管的屈服强度为450MPa，是普通钢的2～3倍。

3弯管冷制作的工作原理

如图1所示，先将待弯直管放入弯模中，将起弯点对准弯模中心，前夹夹紧管子的首段，滑板紧贴管子的尾段。起动弯管机，前夹带着管子一起作圆周运动，滑板在管子的带动下沿切线方向作直线支运动，对管子施加外力。当管子受到的外力超过了其屈服极限时，将产生塑性变形，这是管子弯曲成形的基本原理。

4弯头制作过程中常出现的问题

（1）发生走位，打滑；

（2）内表面拉伤；

（3）表面出现皱折

（4）管壁拉裂等。

5原因分析

（1）工艺方法不当。在弯管过程中作业人员对弯管制作工艺流程的控制往往不够重视，常采用碳钢管的弯制方法，而未制定相关的HDR双相不锈钢管弯管作业指导书。

（2）弯管人员的工作责任心和弯管技能水平参差不齐，对工艺知识、操作技能、设备知识的认识不够。

（3） 双相不锈钢管屈服强度大，而表面粗糙度小，弯制时易打滑。

下面简要分析弯管过程中的受力情况，如图2所示。

在分析弯曲受力时，可将管子分为弯管段（AB）段和直管段（BC）。A端用前夹夹紧，AB段受弯矩MR的作用而产生弯曲，如图2（a）所示。而在弯曲时B点受弯矩MR和弯模的压力P的作用，在C点受到滑板的支承力P，如图2（b）所示。

在弯曲过程中，由于受到弯矩作用，管子的横截面积也要发生变化，该弯矩与夹头和管子、管子和弯模之间的摩擦力F、管子和滑板之间的支承力P有关。然而实际上在弯曲过程中，管子外表面与弯模及滑板并不完全接触。

使管子产生塑性变形所需的弯矩MR，其大小与管子的屈服强度成正比，因此，双相不锈钢管弯曲所需的力矩应为普通钢管的2～3倍。

MR =F*R（1-1）

式中：F—管子首段受的静摩擦力（N）；

R —弯模半径（mm）。

由于弯模半径是一定的，因此，双相不锈钢管弯曲时首段受到的静摩擦力应为普通钢的2～3倍。

根据静摩擦力理论，物体受到的最大静摩擦力为

F =?*N （1-2）

式中：?-摩擦系数

N-正压力（N）

摩擦系数?与材料、接触面粗糙程度密切相关。正压力N与所受到的夹紧力成正比。

6解决方案

通过上述原因分析，可选用以下方案解决。

6.1增大摩擦系数

根据摩擦学理论，正常粗糙度的两表面接触时，摩擦系数一般小于1，当两接触表面变得很粗糙时，摩擦系数会大幅度增加。因此，要增加摩擦系数，必须增加管子与夹紧管子的夹头的粗糙度。

对于管子，增大粗糙度一般采用打砂的办法来实现。普通压力打砂，粗糙度增加不明显，效果不大。如果采用特殊办法打砂，虽然能实现粗糙度的明显加大，但这样会破坏管子的表面质量，超出标准范围，会导致管材报废。因此，增加管子的表面粗糙度方法不是很好的方案。但可增加弯模的粗糙度，达到增加摩擦系数的目的。

6.2增加正压力

增加接触面积，或增加夹头的夹紧力或增加摩擦力，以改善效果。

此外，增加正压力的方法就是在夹头处插入芯棒，但要控制好芯棒插入长度。为加大管子所受的正压力，需调整弯管机施加给管子的压力。但前夹压力过大会造成管子变形，压力过小又会出现打滑，为解决此类问题，可在夹头处插入芯棒，并调整好芯棒伸入管子的长度，芯头距离弯模切点不能太前也不能太后。

6.3采用专用工装

由于HDR管壁薄，易拉裂或起皱褶。为防止此类问题的出现，采用专用的弯模、芯棒、防皱板、管夹、润滑剂和砂纸等工装是一种有效的工艺方法。

管路弯制时可能因为打滑而失败，特别在弯Ф76以上不锈钢管时，可能会出现管子打滑而使管子变形报废的现象。其主要原因是弯管机的压模不能随管子弯曲变形而自动前移。打滑还会刮伤管子，因此应防止此类问题的发生。

为了防止打滑，可在管子贴近前夹的边沿焊上防滑条，此法虽然能制止管子打滑，但这样既非常费时费力，且对管子表面有所伤害，此法并不可取。

防止打滑方法有多种，其中制作工装并加强管内润滑是比较可行而操作简单的一种方法。首先设计一个辅助工装，工装设计的思路就是在前夹头铣出防滑槽，再另造一个活动的夹头，以夹住弯管设备夹头的前端，这就相当于加大了前夹夹管子的面积，使前夹夹得更紧。但是仅采用该种方法防止打滑效果还未必明显，因压板不能随管子弯制变形前移也增加了打滑的可能，因此如在管内增加润滑，势必会进一步改善结果。可用喷枪将润滑油打进管子内，以增加其润滑，且可在管子与压板间放上砂布，使压板更易前移。

6.4工装的设计和使用

针对各种不同管径，分别设制防皱板和管夹工装，如图3、图4。该工装配合采用雪油、石墨油、机油混合，精心调制出润滑剂，确保管子内壁与芯头的良好润滑，并在管夹处使用砂纸包覆，以解决弯管中出现的多种问题。

6.5 几点建议

为了提高弯管产品质量，降低报废率，除了采用可行的工艺方法外，还应注意相关的前提条件，为此提出以下建议：

6.5.1增强操作人员技能

操作人员的工作责任心和弯管技能是管子弯制成功的重要因素之一。但是，在当前情况往往弯管人员的技能水平参差不齐，且质量意识不强。因此在弯管制作前，工艺技术人员应对操作人员进行工艺交底，详细分析其重要性及要面对的困难，并从理论上对其进行工艺知识、操作技能、设备知识的培训，以提高其理论与技能水平。同时要求在操作过程中多观察，发现问题应及时调整。

6.5.2保证制作设备的完好性

为确保弯管质量，弯管机的良好工作状态不可忽略。弯制工作前，应对弯管机的运动部件（如弯模、滑块、芯棒等）进行全方位的检修、调整，为成功进行薄壁管弯制创造条件。

6.5.3制定管弯作业指导书

弯制工作前，应编制适合的作业指导书，明确相关的注意事项、操作程序及前提条件等。

6.5.4选用优质管材

由于管材质量是弯制成功与否的一个非常重要的因素，因此，在挑选待弯管时，应严把质量关，对管子由内及外进行仔细检查，确保没有裂纹、夹层、结疤、烧伤等缺陷，并对管子外径、椭圆度、直线度等进行测量。

6.5.5严格执行工艺程序

通常按照如下工艺程序：

（1）根据HDR管规格，选用适配弯模和芯头，并调整得当；

（2）根据HDR管规格，选择合适的防皱板并进行安装，在安装时其前端要尽量向弯模切点靠近；

（3）在安装好HDR管防皱板后，首先要调整弯管机前后夹距离，调整得当与否直接影响弯制质量。因此应经过反复实践探索，将可行的位置分别在弯管机上打好标记或记录设备的工作压力值；

（4）检查不锈钢管内部与芯头是否干净无杂物，如有杂物要清洁干净；

（5）采用事先准备好的雪油、石墨油、机油混合调制成润滑剂，均匀涂抹在芯头上，确保不锈钢管内弯曲接触摩擦部位得到润滑；

（6）弯制时要注意，由于厂家不同批次生产的管子硬度特性都有所不同，因此起弯时要慢慢操控设备弯制，以便随时进行调整，在弯到25°左右时，如未出现任何问题则可一气弯完。

7弯管成品质量评价

7.1外观质量

管壁不应有擦伤沟槽和碰撞形成的明显凹陷，管子弯曲处不得有裂纹结疤、烧伤、分层等缺陷存在。被消除的部位壁厚的减薄，应在壁厚减薄的允许范围内，否则作报废处理。

7.2壁厚的减薄率

钢管≤25%（冷弯）≤10%（热弯）

铜管≤30%（冷弯）≤15%（热弯）

壁厚的减薄率：（t-t1）/t×100%

式中：t——弯曲前的管壁实际平均厚度（mm）；

t1——弯曲后的管壁最薄处的厚度（mm）。

7.3椭圆度

冷弯：≤10 %

椭圆度：（A-B）/ DW×100%

式中：DW——管子实际外径（mm）；

A——弯曲处截面最大外径（mm）；

B——弯曲处截面最小外径（mm）。

7.4管壁褶皱

管子弯曲后允许有均匀折皱存在，但折皱高度一般不得超过3%管子外径，最大极限不超过5%。

7.5管子收缩率

收缩率：1-（A + B）/（ 2DW）×100%≤5 %

8工艺方法实作论证

对于上述工艺方法和设想，已在某特种船的弯管制作过程中进行了大量试验，并得到论证。

8.1验证过程

在某特种船上，经过反复试验，最后总结出各个规格不锈钢管弯制的正确芯棒插入长度、弯模切点距离参数，详见表3。

8.2验证结果

按前述工艺方法进行管子弯制，经检验各项参数均在标准公差范围之内，满足成品质量评价的要求。

9 结论

本文通过分析影响双相不锈钢弯管冷制作过程的各种要素，提出采用芯棒并控制其插入长度、采用专用工装并结合管内润滑等工艺方法，经过实船验证，表明该种工艺方法是可行的。